대심도 터널의 저류수 배제를 위한 설계·운영
의사결정 지원 소프트웨어: DeepDrain

DD는 지하 인프라에 유입·저류되는 우수의 수리적 거동과 배수시설의 설계 및 운영과정을 통합적으로 분석하기 위한 모듈형 소프트웨어이다. 지하 인프라의 형상과 구조, 강우사상별 유입조건, 자연배수시설의 수리특성, 배수펌프의 설계조건 및 운영상 제약조건을 하나의 프로젝트 단위로 관리하며, 각 분석단계에서 산정된 결과가 다음 단계의 입력자료로 연계되도록 구성하였다. 따라서 개별 분석모형을 독립적으로 적용하는 방식과 달리, 시설의 저류특성 산정에서부터 최종 운영계획 수립에 이르는 전 과정을 일관된 자료체계와 분석조건에서 수행할 수 있다.
DD에서 활용되는 입력자료는 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 첫째, 대심도 터널 및 관로의 길이, 관경, 종단경사, 관저고, 수직구 위치, 연결관로 및 최대 저류용량과 같은 시설의 구조적 제원이다. 둘째, 수직구별 유입량 시계열, 초기 저류수위, 유사 퇴적조건 및 유입 수문 운영조건과 같은 수문·수리조건이다. 셋째, 잔류수 목표 배제시간, 펌프 대수, 펌프 성능곡선, 토출량 제약 및 펌프 운전조합과 같은 기계·운영조건이다. DD는 이러한 입력자료를 모듈별로 활용하면서도 공통 프로젝트 자료로 관리하여, 설계조건의 변경이 후속 분석과 운영결과에 미치는 영향을 연속적으로 검토할 수 있도록 하였다. 이와 같은 입력자료를 분석 목적에 따라 체계적으로 처리하고, 저류특성 분석에서 운영계획 수립까지의 절차를 단계적으로 수행하기 위해 DD는 다음의 5개 핵심 모듈로 구성하였다.

① 저수위-저류량 관계곡선 산정 모듈
② 자연배수량 평가 모듈
③ 저류수 배제 펌프 설계 모듈
④ 강제배제량 평가 모듈
⑤ 운영계획수립 모듈

이하에서는 각 모듈의 분석 목적, 주요 입력자료 및 출력결과를 순차적으로 설명한다.

① 저수위-저류량 관계곡선 산정 모듈
DD의 저수위-저류량 관계곡선 모듈은 대심도 터널 내 수위에 따른 저류량을 산정하고, 운영 중 계측된 수위로부터 현재 저류량과 잔여 저류용량을 추정하기 위한 기능이다 (그림 2). 대심도 터널은 집중호우 시 초과 우수를 일시적으로 저류하여 도시침수를 저감하지만, 터널 내부의 접근성과 계측환경 제약으로 인해 저류량을 직접 측정하기 어렵다. 따라서 비교적 계측이 용이한 유출 수직구의
수위를 이용하여 터널 전체의 저류상태를 추정할 수 있는 수위–저류량 관계의구축이 필요하다.
본 모듈은 EPA-SWMM 입력파일에 포함된 터널 및 수직구의 구조자료를 기반으로 수위별 저류량을 산정한다. 주요 입력자료는 터널의 단면형상과 직경, 구간별 길이, 상·하류 관저고, 종단경사 및 수직구 높이 등이다. 대심도 터널은 종단경사를 갖기 때문에 수위가 상승함에 따라 저류구간이 상류 방향으로 확대되고, 각 구간의 흐름상태도 부분 충전에서 만관 상태로 변화한다. 이에 따라 유효저류길이와 대응하는 단면적을 누적하여 전체 저류량을 산정해야 한다.
저류량 산정은 유출 수직구의 최저수위에서 계획 최고수위까지 일정한 계산 간격으로 수위를 증가시키며 수행된다. 각 수위에서 터널 바닥고와 수면고의 차이를 이용하여 물이 채워지는 유효구간을 결정하고, 계산구간별 수심을 산정한다. 원형 터널의 경우 수심에 대응하는 원호단면적을 산정하며, 수심이 터널 직경 이상인 구간은 만관 상태로 처리한다. 이후 인접 계산지점의 단면적과 구간길이를 이용하여 구간별 체적을 계산하고, 전체 터널 구간과 수직구의 체적을 합산하여 해당 수위에서의 총 저류량을 산정한다.
주요 출력결과는 수위–저류량 관계곡선, 수위별 저류량 조회표 및 운영과정에서활용할 수 있는 수위–저류량 환산식으로 구성된다. 사용자는 계산 수위 간격과관계식 구간을 설정할 수 있으며, 산정결과는 그래프와 표로 시각화된다. 이를 통해 특정 수위에서의 현재 저류량뿐만 아니라 최대 저류용량 대비 잔여용량도 신속하게 파악할 수 있다.
제안한 방법은 신월 대심도 터널의 설계 제원을 적용하여 검토하였다. 산정된 수위–저류량 관계곡선을 기존 수리수문자료집의 기준곡선과 비교한 결과,결정계수는 0.99로 나타났으며 수위별 저류량의 상대오차는 0.5% 미만으로 확인되었다 (서울특별시, 2021). 또한 실제 호우사상의 관측자료와 비교한 추가 검토에서도 저류량의 증가와 감소 경향을 비교적 적절하게 재현하는 것으로 나타나, 수위자료를 활용한 저류량 추정방법의 적용 가능성을 확인하였다.
본 모듈에서 도출된 수위–저류량 관계는 DD의 후속 분석을 위한 기초자료로활용된다. 자연배수량 및 강제배제량 평가에서는 배수과정에서의 저류상태와 잔류 저류량을 해석하기 위한 기준자료로 활용되며, 운영계획수립 모듈에서는 현재 저류량, 최대 저류율 및 가용 저류용량을 판단하는 데 이용한다. 따라서 본 모듈은 대심도 터널의 계획 저류용량 검토에서부터 실시간 저류상태 파악과 배수 운영 의사결정까지 연결하는 DD 분석체계의 출발점에 해당한다.

② 자연배수량 평가 모듈
DD의 자연배수 평가 모듈은 대심도 터널의 유입량과 설계인자에 따른 배수 특성(총 배수량, 배수시간, 최대 배수량)을 정량적으로 평가한다 (그림 3). 역사이펀 구조인 대심도 터널의 배수는 유입량과 설계인자의 조건(관경, 관로 경사 및 유입·유출부의 관정고 차)에 큰 영향을 받는다. 따라서 다양한 유입량 시나리오와 설계인자 변동의 종합적 검토가 필요하다.
자연배수 평가 모듈은 대심도 터널의 관망 구조 및 제원이 포함된 EPA-SWMM 입력파일과 각 유입수직구의 시간별 유입량 자료를 기반으로 수리해석을 수행한다. SWMM 내 Dynamic wave 조건에서, 개수로 흐름 이후 만관의 조건에서 터널의 연속적인 흐름 유지를 위해 Preissmann slot 기법의 압력흐름을 모의한다. 특히 하류부가 건조한 조건(Downstream Dry Condition)에서는 상류부에 충분한 수두가 확보된 경우에만 자연적으로 배수가 발생한다. 대심도 터널의 관경, 관로 경사 및 관정고 차를 주요 변동 설계인자로 설정하여 설계인자의 변동과 조합에 따른 자연배수 특성을 비교할 수 있도록 하였다.
대심도 터널 내 유입 유량 내 유사 및 슬러지 퇴적을 고려하기 위해 유입량–유사관계식을 적용하여 터널 구간별 유사 퇴적 깊이를 산정하고, 퇴적 단면적을 제외한 유효 통수단면적을 자연배수 해석에 반영하였다. 이를 통해 유사 적용 전후의 자연배수 성능 비교가 가능하다.
주요 출력결과는 설계인자 조합별 자연배수 평가 히트맵, 터널 구간별 유사 퇴적 깊이, 유사 적용 여부에 따른 자연배수량 및 배수시간 비교 결과로 구성된다.
히트맵을 통해 설계인자 조합(관경–경사, 관경–관정고 차, 경사–관정고 차)에 따른배수 특성을 확인할 수 있다. 또한, 산정된 구간별 유사 퇴적 깊이를 자연배수 해석에 반영하여 유사 적용 전후의 배수 특성을 비교할 수 있다.
본 모듈은 대심도 터널의 설계조건별 자연배수 성능을 사전에 검토하고, 유사 유입으로 인한 자연배수량 변화를 정량적으로 검토할 수 있다. 또한, 자연배수 이후 터널에 남아 있는 저류량을 산정하여 후속 강제배제량 평가 및 운영계획 수립을 위한 기초자료를 제공할 수 있다.

③ 저류수 배제 펌프 설계 모듈
DD의 저류수 배제 펌프 설계 모듈은 대심도 터널 내부에 잔류하는 저류수를 목표시간 이내에 배제하기 위해 필요한 펌프의 용량과 대수를 산정하고, 서로 다른 용량의 펌프를 조합한 복수의 설계대안을 제시한다 (그림 4). 동일한 저류용량과 총 토출능력을 확보하더라도 대용량 펌프를 소수 설치하는 경우와 중·소용량 펌프를 다수 설치하는 경우에는 초기비용, 전력부하, 운전 유연성 및 고장 시 대응성에서 차이가 발생한다. 따라서 펌프 설계 시에는 총 요구 토출량뿐만 아니라 목표 배제시간과 운영 목적을 고려한 용량별 구성과 설치 대수를 함께 검토해야 한다.
본 모듈의 설계 방법은 신월 대심도 터널의 실시설계 사례를 참고하여 구성하였다. 기존 설계에서는 대심도 터널의 최대 저류량, 목표 배제시간 및 운전 펌프 대수를 기준으로 펌프 1대당 요구 토출량을 산정하였다. DD에서는 이러한 기본 개념을 확장하여 최대 저류량, 목표 배제시간 및 펌프 대수를 주요 입력변수로 설정하고, 펌프별 상대 용량비를 적용하여 개별 펌프의 설계 토출량을 자동으로 산정한다. 이를 통해 동일 용량의 펌프뿐만 아니라 고·중·저용량 펌프를 혼합한 다양한 설계안을 도출할 수 있다.
펌프 구성은 네 가지 설계대안으로 구분된다. 설계안 1은 고용량 펌프로만 구성하여 높은 배제능력을 확보하는 방식이며, 설계안 2는 고용량과 중용량 펌프를 혼합하여 배제성능과 경제성 간 균형을 고려한 방식이다. 설계안 3은 중용량 펌프를 중심으로 구성하여 유지관리 부담과 고장 위험을 분산하고 운전 유연성을 확보하며, 설계안 4는 저용량 펌프를 포함하여 저유입 조건에서 세밀한 단계별 운전이 가능하도록 구성하였다. 사용자는 현장의 설치공간, 전력공급 여건, 경제성 및 운영 목적에 따라 적정 설계안을 비교·선정할 수 있다.
또한 터널 내부로 상시 유입되는 지하수를 별도로 배제할 수 있도록 지하수 배제 펌프 설계기능을 포함하였다. 일평균 지하수 발생량, 설계 여유계수 및 펌프 대수를 입력하면 지하수 배제 전용 펌프의 요구 토출량을 산정할 수 있으며, 이를 통해 저류수 배제 펌프와 지하수 배제 펌프의 기능을 구분하여 설계할 수 있다.
주요 출력결과는 설계안별 펌프 용량, 대수, 총 설계 토출량 및 용량별 구성비로 제시되며, GUI에서 그래프와 표 형태로 비교할 수 있다. 본 모듈에서 도출된 펌프 설계안은 후속 강제배제량 평가 모듈에서 입력자료로 활용되며, 운영계획수립 모듈에서는 펌프 운전조합을 결정하는 기초자료로 활용된다.

④ 강제배제량 평가 모듈
DD의 강제배제 평가 모듈은 배수 펌프의 성능 저하에 따른 대심도 터널의 저류수 배제 성능을 평가한다 (그림 5). 배수 펌프는 장기간 운영, 노후화, 유지관리 상태 등에 따라 성능이 저하될 수 있으며, 이러한 성능 변화는 대심도 터널의 운영계획(배수 시간, 배제량)에 영향을 미친다. 따라서 배수 펌프 성능 변화에 따른 사전 모의를 통해, 대심도 터널의 운영 계획의 안정성과 적정성 검토가 필요하다.
강제배제 평가 모듈은 대심도 터널 관망 구조와 펌프 정보가 포함된 EPA-SWMM 입력파일을 제공받아 펌프(Pump), 노드(Node), 성능 곡선(Pump Curve), 제어 조건(Control Rule)을 기반으로 수리해석을 수행한다. EPA-SWMM에서 펌프는 연결된 노드 간 유량을 전달하는 관(Link) 요소로 정의되며, 제어 조건이 충족되면 작동한다. 이때 펌프 전·후단 노드의 수위 차로부터 계산된 양정(Head)을 기준으로
수두–유량(Head–Flow) 성능곡선을 적용하여 시간별 펌프 유량을 산정한다.
강제배제 평가 모듈의 사용을 위해 펌프 종류별 설계 펌프 성능 곡선 입력 후, 성능 인자로 양정(Head) 또는 토출량(Discharge)을 선택하여 각 성능 인자의 변동에 따른 펌프 성능곡선을 도출한다. 양정 변화 조건은 동일 유량 대비 가용 양정의 변화를, 토출량 변화 조건은 펌프 용량 변동에 따른 성능 변화를 반영하여 성능곡선을 생성한다. 생성된 성능곡선은 EPA-SWMM 모델에 적용되어 각 성능 변화 시나리오별 펌프 운영에 따른 수리해석을 수행한다.
펌프 작동에 따른 시간별 배제 유량, 터널 내 수위 변화, 잔류수 배제 완료 시간 및 총 배제량을 산정하여 펌프 성능 변화가 강제배제 능력에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다.
본 모듈은 펌프 성능 변화에 따른 강제배제 성능을 정량적으로 평가하여 대심도 터널 배수 시스템의 운영 및 유지관리 의사결정을 지원한다. 또한 다양한 성능 변화 시나리오를 기반으로 설계된 펌프 시스템의 안정성과 신뢰성을 검증하고, 성능 저하에 따른 대응 기준을 마련하는 데 활용될 수 있다.

⑤ 운영계획수립 모듈
DD의 펌프 운영계획수립 모듈은 앞선 모듈에서 산정된 수위–저류량 관계, 자연배수 특성, 펌프 설계안 및 강제배제 성능을 종합하여 대심도 터널의 운영 목적에 적합한 계획을 수립한다. 운영 목적에 따라 수방 운영 모드와 (비수방) 다목적 운영 모드로 구분되며, 각 모드별로 입력조건과 분석결과가 다르게 구성된다 (그림 6).
수방 운영 모드는 집중호우 이후 터널 내부의 저류수를 신속하게 배제하여 후속 강우에 대비한 가용 저류용량을 확보하는 것을 최우선 목표로 한다. 주요 입력자료는 펌프 설계안, 펌프 성능 또는 토출 제약조건, 목표 배제시간, 수직구별 유입량 시나리오, 유입 수문 차단 여부 및 차단기준 등이다. 특히 펌프 설계 모듈에서 도출된 설계대안과 강제배제량 평가 모듈에서 검토된 펌프 성능조건을 연계함으로써 실제 수리조건을 고려한 운영계획을 수립할 수 있다.
수방 운영전략은 펌프 가동시점에 따라 구분된다. 운영전략 1은 유입이 지속되는 동안 터널 내 저류율이 사전에 설정한 기준에 도달하면 강제배제를 시작하는 방식이며, 운영전략 2는 유입 종료 후 펌프를 가동하여 잔류 저류수를 배제하는 방식이다. 또한 유입 수문을 개방하여 자연배수를 병행하는 조건과 수문을 차단하여 강제배제만 수행하는 조건을 함께 고려할 수 있다. 분석결과로는 펌프 가동기준, 펌프 조합, 자연배수량, 강제배제량, 최대 저류율, 총 운영시간, 펌프 가동시간 및 목표 배제시간 만족 여부 등이 제시되며, 이를 통해 운영전략별 배제성능과 안정성을 비교할 수 있다.
(비수방) 다목적 운영 모드는 평상시 터널에 유입되거나 저장된 물(지하수 포함)을 재이용수로 활용하는 방안으로 대심도 터널의 활용성을 확대하기 위한 기능으로, 재이용수 공급 잠재량 평가와 재이용수 공급 운영계획 수립으로 구분된다.
재이용수 공급 잠재량 평가는 과거 유입량, 비수방 운영기간, 터널의 최대 저류용량, 상시 지하수 유입량 및 용도별 허용 부족일수 등을 기반으로 해당 유역과 기상조건에서 안정적으로 공급할 수 있는 저류수의 재이용수 활용가능 범위를 산정한다. 공급량별 일 단위 저류량 변화를 모의하고, 공급불가일수와 최저 저류량을 평가하여 하천유지용수, 청소용수 또는 조경용수 등 용도별 운영기준을 만족하는 공급 가능량을 제시한다. 따라서 특정 규모의 대심도 터널을 설치할 경우 비수방 기간 동안 확보할 수 있는 장기적인 재이용수 공급 잠재력을 검토하는 데 활용할 수 있다.
재이용수 공급 운영계획 수립은 현재 터널 내 저류량과 향후 예측 유입량을 기반으로 단기 재이용수 공급계획을 수립하는 기능이다. 현재 저류량, 예보 유입량, 상시 지하수 유입량 및 공급량 시나리오를 적용하여 시간에 따른 저류량 변화를 분석하고, 외부 수요처에 공급 가능한 일수와 일별 공급량을 산정한다. 이를 통해 향후 강우 및 유입 전망을 고려하여 공급계획을 제시할 수 있다.
운영계획수립 모듈은 대심도 터널을 단순한 홍수저감시설로 운영하는 데 그치지 않고, 수방기에는 신속한 저류용량 회복을 지원하고 비수방기에는 재이용수 공급 가능성을 평가하는 통합 의사결정 기능을 제공한다. 이를 통해 운영자는 강우조건, 터널 저류상태 및 펌프 성능에 따라 적정 운영전략을 선택하고, 운영 목적별 결과를 정량적으로 비교할 수 있다.

본 결과물은 기후에너지환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 기후변화 적응 수재해 관리 기술개발사업(R&D)의 지원을 받아 연구되었습니다(RS-2024-00398012).